标题

Size: px

Start display at page:

Download "标题"

系吹请敖
7 years ago
Views:

1 第 22 卷第 2 期极地研究 Vo.22,No 年 6 月 CHINESEJOURNAL OFPOLARRESEARCH Jun2010 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍 췍 췍研究记录 췍 基于直升机平台及非量测数码相机的南极航空摄影测量技术研究吴文会 1 殷福忠 2 吴迪 3 1 黑龙江测绘局极地测绘工程中心, 哈尔滨 ; 2 黑龙江省测绘科学研究所, 哈尔滨 ; 3 东北林业大学林学院地理信息系统专业 07 级, 哈尔滨 ) 提要使用直升机作为飞行平台并应用哈苏 H1D 非量测数码相机进行南极中山站和拉斯曼丘陵地区摄影测量通过对非量测相机标定, 获取相机的内方位元素, 从而可进行航空摄影测量两个区域的具体试验表明基于直升机平台和非量测数码相机的航空摄影测量可应用于南极等困难地区的地形图测绘关键词摄影测量非量测数码相机南极相机标定 do: /sp.j 引言摄影测量与遥感技术现已成为进行各种比例尺地形图测绘的首选技术 [1], 但是在没有固定翼飞机起降场地的情况下, 选择可以垂直起降的直升飞机成为必要之选在南极这一困难地区进行航空摄影, 环境比较恶劣, 没有可选的其他航空摄影的方案情况下, 可采用直升机作为航空摄影平台来进行南极的摄影测量工作国际上数码相机系统研制开发和应用的成果, 充分显示了 CCD 数码相机已向传统的航空摄影发出了挑战 [2] 在 2000 年国际摄影测量与遥感学会 ISPRS) 阿姆斯特丹大会上, 数码航空相机开始出现, 在 2004 年 ISPRS 伊斯坦布尔大会上数码航空相机成为一个热点 [3] 目前关于数码航空摄影的仪器, 国际和国内已经有多个仪器厂商及研究机构都有应用于实际生产中的产品, 如蔡司和莱卡推出了大幅面阵和线阵航空数码相机 DMC 和 ADS40, 日本奥地利和乌克兰等国也先后研制出类似的产品, 如 TLS UCD D- MAC [4] 我国也有多家研究单位在进行数码航空相机的研制, 如中国测绘科学研究院和 [ 收稿日期 ] 2009 年 5 月收到原稿,2010 年 6 月收到修改稿 [ 基金项目 ] 十一五国家基础测绘项目 ) [ 作者简介 ] 吴文会, 男,1960 年生高级工程师, 主要研究方向是摄影测量与遥感

2 第 2 期吴文会等 : 基于直升机平台及非量测数码相机的南极航空摄影测量技术研究 191 中国科学院光电研究所都研制了大面阵的数码航摄相机, 并已实际应用但是这些数码航摄相机价格昂贵, 体积和质量比较大, 如果用于南极的地形图测绘, 所需的航空平台要求较高, 而现在我国的南极科学考察站的基础条件还不具备, 没有可以起降固定翼飞机的机场, 无法用于南极的航摄工作中非量测数码相机相对上述航摄相机价格低廉,CCD 面阵等技术发展迅速, 操作较灵活方便, 随着数字摄影测量和数码相机标定技术的发展与完善, 非量测数码相机完全可以用于摄影测量领域本文针对南极的特殊地理环境, 以直升机为飞行平台, 在其上搭载非量测数码相机进行航空摄影测量, 将数字摄影测量的相关技术应用于南极的基础航摄中, 并对各种关键技术进行研究 1 基础技术构成 1.1 数码影像获取设备在本次研究中, 采用的是哈苏 H1D 数码照相机, 相机的具体参数如下 : 传感器方面, 这块 2200 万有效像素的影像传感器面积达 36.7mm 49mm 在拍摄的图片文件方面, 可采用 8 位 RGB 模式和 16 位 RGB 模式拍摄, 采用 8 位 RGB 模式时的每张图片大小为 66 MB, 采用 16 位 RGB 模式时的每张像片大小为 132 MB 存储方面, 该机的像片存储使用 40GB 的外接硬盘作存储介质, 机身的数据传输接口则是 1394 口电力方面, 使用索尼 InfoLhum NP-F 系列电池, 最长拍摄时间可达 8h 镜头采用 HssbdHC35/3.5, 镜头参数如表 1 镜头型号实际焦距 mm) 光学结构最小光圈表 1 镜头参数 Tb1.ThLnspms 最近对焦距离 m) 最大放大倍率近摄涵盖面积 cm 2 ) 滤镜直径 mm) 体积 mm 3 ) L D) HC35/ /10 f/ 质量 g) 1.2 飞行平台直九直升机采用双发单旋翼带涵道式尾桨式布局, 前三点可收放式起落架, 是当今世界同类直升机销量最大技术最先进的直升机主要技术参数如下 : 旋翼直径 m, 尾桨直径 0.90 m, 机长 m, 机长旋翼尾桨折叠 )11.44 m, 机高旋翼尾桨折叠 )3.21 m, 空重 1975kg, 最大有效载荷 1863kg, 最大起飞重量 3850kg, 最大平飞速度 306km/h, 正常巡航速度 km/h, 最大垂直爬升率海平面 )4.2m/s, 实用升限 4500m, 最大航程 1000km, 最大续航时间 5h 1.3 数码相机与直升机平台集成由于无法在直升飞机底部开洞, 相机只能采用外挂式, 此方法为国内首次试验, 无任何经验可以借鉴由于挂在直升机外部的相机姿态很难控制到所需要的指标要求, 因此

3 192 极地研究第 22 卷对数码相机外挂进行研究分析,并制作相机外挂托架托架分为相机托架和直升机挂载托架两个部分,以保证挂载后与直升机平飞时保持底视垂直改造后的集成平台如图 2 所示图 1 哈苏 H1D 相机和直九直升机 F 1.ThH s s b d H1Dc m ndzh 9h c op g. - 图 2 哈苏 H1D 数码相机外挂在直九直升机上的集成平台 F 2.Th n g onp f o mo fh s s b d H1Dd c m ndzh 9h c op g. g 南极摄影测量的流程试验中,先检校相机 35 mm 定焦镜头的内方位元素与畸变系数,再根据检校结果对影像进行畸变改正,然后采用全数字摄影测量工作站 V uozo 进行内业处理利用非量测数码相机进行地面摄影测量的基本流程如图 3 所示图 3 南极摄影测量流程 F 3.Thwo kf owch o fpho og mm nan c c g. y

4 第 2 期吴文会等 : 基于直升机平台及非量测数码相机的南极航空摄影测量技术研究关键技术 2.1 非量测数码相机的高精度检校技术应用非量测数码相机进行南极航空摄影测量的关键问题在于相机技术参数的检校, 但目前国内检校场的建立多数是基于近景摄影测量应用, 以室内为主, 且检校场面积较小, 较适合于小面阵相机的检校而对于航空摄影测量, 采用的是大面阵相机, 所以现有的小型或室内检校场远不能满足其检校要求, 如何进行大面阵相机的检校并达到相应的高精度要求, 目前国内外没有先例可循本研究利用大型室外检校场, 实现对大面阵短焦距大视场非量测数码相机的高精度检校, 精度优于 2m, 为整个数码航测系统的建立创造了可靠的前提和基础 2.2 手动控制曝光解决直升机速度不稳定及环境条件限制传统航测大多采用定时曝光, 这种曝光方式会因飞行时速的不均匀气流的变化飞行质量的改变等因素而导致曝光不准确, 造成航飞过程中经常偏离设计曝光点, 易导致大量漏拍, 需要重新起飞补拍整条航线, 因而费时费力本研究采用 GPS 导航, 手动控制曝光方式, 克服了定时曝光因飞机飞行状态不稳定的缺点, 实现了飞行过程中的漏洞即时补拍在南极这一特殊环境中, 利用有限的机时, 航拍完成符合重叠度及空中姿态的影像数据 2.3 地面标志的铺设南极大陆大部分区域被冰雪覆盖, 在露岩区域也无法选取明显的像控点, 这样在能够到达的区域施测像控点的同时需要布设地面标志, 以方便后续的内业数据处理在南极为了能够铺设适合航空摄影后内业标示以便识别, 需要根据飞行时的航高摄影比例尺, 制作地面的标志 3 非量测数码相机标定本研究通过应用大型室外检校场, 实现对所选的哈苏 H1D 非量测数码相机的高精度检校, 为整个数码航测测图的创造了可靠的前提和基础 3.1 相机镜头畸变系数的解算由于相机物镜在加工安装和调试过程中难免存在一定的残余像差, 这一残差会引起物镜构像畸变, 构像畸变差是数码相机产生误差的最主要原因物镜构像畸变有两种 : 径向畸变差和切向畸变差径向畸变在以像主点为中心的辅助线上是对称型畸变, 而切向畸变差是一种非对称型畸变综合上述两种畸变, 物镜构像畸变差改正公式 1) 如下 : Δx=x-x0)h1 +h2 2 +h3 4 )+p1 2 +2x-x0) 2 )+2p2x-x0)y-y0) { Δy= y-y0)h1 +h2 2 +h3 4 )+p2 2 +2y-y0) 2 )+2p2x-x0)y-y0) 1) 式中, 为像点的向径, 即为相片上像点到像主点的距离 = x-x0) 2 +y-y0) 2,x, у

5 194 极地研究第 22 卷为像点量测坐标, k1,k2,k3 为径向畸变系数, Δx,Δy 为像点坐标改正值, x0, у0 为像主点在像平面坐标系中的坐标, p1,p2 为非对称型畸变系数利用公式可以解算出k1,k2,k3,p1,p 相机内方位元素的解算根据共线方程 y -ys)+c1 x -xs)+b1 z-zs) ïìx -x0 =-f1 ) ) ï 3 x -xs +b3 y -ys +c3 z-zs) 2) í y -ys)+c2 ï 2 x -xs)+b2 z-zs) ïy -y0 =-f î 3 x -xs)+b3 z-zs) y -ys)+c3 式 2)中 1, 2, 3, b1, b2, b3, c1, c2, c3 为方向余弦, X, Y, Z 为控制点物方坐标, x, у为控制点像方坐标对上式进行进一步的化简,得式 3)如下: L1X +L2Y +L3Z +L4 x= L9X +L10Y +L11Z +1 3) L5X +L6Y +L7Z +L8 y= L9X +L10Y +L11Z +1 ) 式需要解算的参数总共有 3 11 个,如在物方布设 6 个控制点就可解这 11 个参数, 然后进一步可解得相机的内外方位元素 [5] 4 控制测量与摄影 4. 1 摄区的选择摄区选择在南极拉斯曼丘陵中山站东部地区图 4),航摄范围为 E~ E, S~ S,面积 150km2,设计航高 800 m;中山站至破冰船锚地海域,航摄范围 E~ E, S~ S,面积 2. 34km2,设计航高 300 m 图 4 摄区示意图 F 4.Thmpo f pho og mm g. y 4. 2 地面标志铺设拉斯曼丘陵地区多为岛屿组成,已有的大地点均分布在山头上,对该地区已有大地点进行了全面普查,其中 15 个实地没有找到,因南极无明显地物可供识别,找到的点均铺设了地面标志同时根据设计的要求,加密铺设像控点标志图 5)

6 第 2 期吴文会等 : 基于直升机平台及非量测数码相机的南极航空摄影测量技术研究 195 图 5 控制点标志 Fg.5.Thmkofconopons 4.3 GPS 点铺测协和半岛是中国和其他国家在东南极科考活动较为频繁的地区, 该地区是测绘的重点区域, 本次试验应用直升机作为航空平台, 拍摄所取得的航摄像片进行航测成图, 由于航摄像片的飞行质量还存在不稳定因素经研究, 决定尽可能增加外业控制点的密度, 在原有的大地点的基础上加密了新的 GPS 点并铺设了标志无名岛鳄鱼岛鳄鱼岛以西露岩区一百多平方公里的区域无测绘成果, 在可满足内业加密的底线的基础上选作了 GPS 点, 留下永久性测量标志并铺设地面标志 4.4 航空摄影航空摄影工作是最关键环节航摄成果的质量直接影响最终产品的质量, 航空摄影使用南极科考队租用的哈航集团直九直升机, 直九直升机的稳定性一般, 无自架设备, 机上机长采用手持 GPS 领航, 直升飞机飞行时很难保证水平方向和航高的稳定性, 而且需要飞行时要在直升机达到稳定的飞行姿态时开始进行摄影航线布设方向 : 航线按常规方法布设, 按东西方向飞行在试验中,Ⅲ 航摄区共飞行 17 条航线, 航高 1000m, 气流较大, 飞机不稳定该摄区航线较长, 航向重叠顺风时达到 65%, 逆风飞行达到 70% 以上 ; 旁向重叠 15% 50%; 第 11 和第 12 航线之间重叠小, 第 13 条航线由于飞行时电池没电, 重新飞行 Ⅱ 航摄区共飞行 18 条航线, 航高 500 m, 飞机比较稳定, 数据相对较好, 航向重叠 70%; 旁向重叠 15% 40%; 无航摄漏洞 ;5 航线 262 片数据坏, 第 14 和第 15 航线之间重叠小考虑到南极特殊地理环境和气候条件, 以及科考条件限制, 在飞行的航向旁向重叠基本满足条件的情况下, 尽量在后续的研究工作中解决 5 空中三角测量与测图 5.1 空中三角测量空中三角测量是数字摄影测量重要工作, 是进行地形图测绘工作的基础本次试验中采用 VuoZoNT 全数字摄影测量系统进行处理,VuoZoNT 的自动空三模块与著名的光束法平差软件 PATB 集成在一起, 构成了世界先进水平的自动空中三角测量系统该系统具有与定位数据联合平差功能先进的粗差检测功能区域内可使用多个航摄仪焦距以及区域大小不受限制等特点, 区域内只需少量的已知地面控制点, 可以高效和高精度地加密大面积的控制点和定向参数, 为大规模地自动生成 DEM 和影像正射纠正创 [6] 造良好条件在对南极航拍的数据进行空三加密处理后,Ⅱ 航摄区大小基本上是 20 根基线与 18 条基本航线所覆盖的范围, 相片控制点分为平面控制点高程控制点和平高控制点, 相片

7 196 极地研究第 22 卷控制点的起算点为南极大地控制点按照 1:1000 地形图测图的要求, 平面控制点和平高控制点相对邻近基本控制点的平面位置点位中误差不超过图上 0.1 mm; 高程控制点和平高控制点相对邻近高程控制点的高程中误差不超过 0.1m 相对定向点中误差不大于 5m, 匹配点分布均匀, 且点数不少于 200 个, 上下视差残差不大于 0.01mm; 模型连接平面位置较差不大于 0.24m 像方为 0.03 mm); 高程较差不大于 0.28 mm 像方为 0.02 mm) 5.2 内业测图采用全数字摄影测量工作站 VuoZo 进行摄影测量内业处理先将影像利用空三加密成果进行定向处理, 然后利用 VuoZo 软件的测图和影像处理模块处理 6 精度检测与成果评价因受南极的科考条件限制, 本文中的试验航摄精度的检测, 不能通过野外实测的方法来进行, 只能依据现有的内业处理成果及在南极进行的控制测量成果来进行精度的检测与分析我们选取飞行的 Ⅱ 航摄区作为检测实验区, 抽取其中的两条航线进行了检测对检测区重采样后的航摄数字影像进行相对定向及空三加密, 以验证重采样后的影像几何精度检测区平均航摄高度为 500m, 两条航线共 16 张航片, 航向重叠为 53%, 旁向重叠为 20% 检测区共布设了 11 个野外实测控制点, 把其中的 7 个点作为相片控制点, 另外 4 个点作为检查点首先对两条航线 16 张航片所构成的 14 个立体模型进行上下视差的中误差分析, 经统计相对定向上下视差中误差, 如表 2 所示表 2 中的模型相对定向上下视差中误差最大值为 mm, 最小值为 mm, 完全符合摄影测量模型相对定向上下视差残差不大于 0.01 mm 的要求同时表明航摄影像几何精度较高, 相机检校的参数稳定正确可靠利用 VuoZoAAT 自动空中三角测量软件对区域网进行连接点及控制点的选取, 使用 PATB 软件进行光束法平差, 相对野外实测像片控制点精度统计结果, 如表 3 所示利用空三成果建立立体模型, 对野外检查点进行测量, 并统计误差, 如表 4 所示通过对检测区的控制点及检查点的内业测点与野外点坐标较差的统计情况看, 精度指标已经达到了地形图测图的要求, 因此使用直升机作为飞行平台, 应用数码相机哈苏 H1D) 进行南极测绘, 在航高 500 m 的情况下, 可以进行小比例尺的地形图测绘表 2 相对定向误差统计单位 :mm) Tb2.Thosscsofvonon.un:mm 航线号模型号中误差

8 第 2 期吴文会等 : 基于直升机平台及非量测数码相机的南极航空摄影测量技术研究表 3 相对野外相片控制点定向误差统计单位 :m) Tb3.Thononosscsoffdconoponsofphoogphs.un:m 点号 DX DY DZ V V V V V V V 表 4 相对野外检查点的误差统计单位 :m) Tb4.Thosscsoffdchckpons.un:m 点号 DX DY DZ V V V V 但是, 试验中确定的检测区是整个航空摄影中从飞行到摄影控制, 以及地面控制点的各方面条件较好的区域, 其他区域由于飞行姿态摄影控制地面控制点布设等问题, 导致航片的航向旁向重叠不够, 地面控制点布设不足和不均匀, 其精度指标降低, 希望在后续工作及研究中完善上述不足, 以取得更好的测绘成果 7 结语针对南极的基础测绘, 因受当地的自然环境气候没有固定翼机场及科考计划装备等条件的限制, 很难使用常规的方法进行基础航空摄影测量, 而本文所应用的方法, 在尽可能地突破与克服上述困难的情况下, 完成了南极中山站站区及拉斯曼丘陵地区的航空摄影, 并利用该资料, 完成两个区域的地形图测绘和 DEM DOM 的生产, 解决了南极测绘资料在该区域的空白, 但是目前还有些问题待后续研究与南极科考中解决 1) 由于无法在直升飞机底部开洞, 相机只能采用外挂式, 挂在直升机外部的相机姿态很难控制到所需要的技术指标要求 2) 所使用的直九直升机属全手动驾驶型飞机, 它的飞行指标可控性差, 同时受风力影响较大, 易造成航线偏离, 致使航片的航向和旁向重叠度不足, 不能完全满足航摄的

9 198 极地研究第 22 卷要求 3) 由于南极可进行试验时间有限投入人力和仪器设备有限, 野外布测相片控制点也不能完全满足规范的要求, 加大了空三及内业采集的难度参考文献 1 PwkZ.Somssusonoughss[J].TnsconsOnRoughSs,2004,1: 何欣年. 航空数字相机的发展与应用 [J]. 遥感技术与应用,2000,152): 张祖勋. 航空数码相机及其有关问题 [J]. 测绘工程,20044): 崔红霞, 李国忠, 孙颖. 非量测 CCD 数码相机的航空摄影测量应用 [J]. 测绘与空间地理信息,2008,314): 殷福忠, 刘红军. 基于 DLT 方法的非量测数码相机检校研究 [J]. 地理信息世界,2009,71): 林齐, 杜培军. 数字摄影测量系统 VuoZoNT 与遥感信息定量化 [J]. 测绘通报,2005,1: RESEARCHONNON-METRICDIGITALAERIAL PHOTOGRAMMETRYTECHNOLOGYBASED ONHELICOPTERINANTARCTICA Wu Wnhu 1,YnFuzhong 2,WuD 3 1 PoSuvyngnd MppngEngnngCn,HongjngBuuofSuvyngnd Mppng, Hbn150025,Chn; 2 HongjngPovncRschInsuofSuvyngnd Mppng,Hbn150081,Chn; pmnofgogphcinfomonsysm,schoooffosy,nohsfosunvsy,hbn150040,chn) Absc ThsppnoducdhovfowchofphoogmmyfoZhongshnSonndLsmnn Hsn Anccusng Hssbd H1D noṉmcdg cmbyknghcopshpfom.thoughhcbonofnoṉmcdgcm,cqudhnoononmnsfompmnngh phoogmmy.tknghpccxpmnsfowossxmp,hsus showdhhphoogmmyusngnoṉmcdgcmbsdonhcopcnbppdfoopogphcmppngnanccndohmos. Kywods phoogmmy,noṉmcdgcm,ancc,cmcbon

安全注意事项 2. 设置对焦模式 3. 变焦 1. 安装和卸下镜头 4. 固定变焦环 1 2 CHI-2

安全注意事项 2. 设置对焦模式 3. 变焦 1. 安装和卸下镜头 4. 固定变焦环 1 2 CHI-2 CHI EF 镜头使用说明书 EF24-70mm f/4l IS USM 感谢您购买佳能产品! 使用注意事项如果将镜头从寒冷的环境拿到温暖的环境中, 镜头表面和内部零件可能会发生结露高温可能导致镜头故障特点安全注意事项安全注意事项请勿透过镜头或相机观看太阳或明亮的光源无论镜头是否装在相机上, 请勿将没有盖上镜头盖的镜头置于太阳下本说明中使用的符号 CHI-1 安全注意事项 2. 设置对焦模式